當(dāng)前位置:首頁 > 工業(yè)控制 > 工業(yè)控制
[導(dǎo)讀]摘要:電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)頻繁工作于啟動(dòng)/停車、加/減速等復(fù)雜工況下,較工業(yè)用電機(jī)需要更寬的轉(zhuǎn)速范圍和更高的過載系數(shù),同時(shí)對控制器的開發(fā)提出了較大的挑戰(zhàn)。設(shè)計(jì)了一種適用于電動(dòng)汽車的永磁同步電機(jī)(PMSM)控制器

摘要:電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)頻繁工作于啟動(dòng)/停車、加/減速等復(fù)雜工況下,較工業(yè)用電機(jī)需要更寬的轉(zhuǎn)速范圍和更高的過載系數(shù),同時(shí)對控制器的開發(fā)提出了較大的挑戰(zhàn)。設(shè)計(jì)了一種適用于電動(dòng)汽車的永磁同步電機(jī)(PMSM)控制器。給出了主電路的設(shè)計(jì)方法及驅(qū)動(dòng)、檢測和保護(hù)單元的參考電路。軟件部分采用矢量控制,并根據(jù)實(shí)時(shí)性要求將任務(wù)劃分為4級(jí)。最后搭建平臺(tái),對控制器的性能進(jìn)行了測試。
關(guān)鍵詞:電動(dòng)汽車;永磁同步電機(jī);控制器

1 引言
   
當(dāng)前能源危機(jī)和環(huán)境污染問題推動(dòng)了電動(dòng)汽車的發(fā)展。電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)包括汽車技術(shù)、電氣技術(shù)和電子技術(shù)等,其中電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)是電動(dòng)汽車的核心。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的任務(wù)是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能使汽車前進(jìn)。電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)不同于工業(yè)用電機(jī),通常要求能頻繁地啟動(dòng)/停車、加速/減速、具有較寬的轉(zhuǎn)速范圍和較高的過載系數(shù),且要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)低速或爬坡時(shí)能提供高轉(zhuǎn)矩,高速行駛時(shí)則能輸出低轉(zhuǎn)矩。各國政府和主要汽車公司都對驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器的研究和開發(fā)給予了高度的重視,并取得了一定的成就。
    目前正在應(yīng)用或開發(fā)的電動(dòng)汽車用電機(jī)主要有直流電機(jī)、無刷直流電機(jī)、PMSM、感應(yīng)電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)。PMSM以其體積小、重量輕、慣性低、響應(yīng)快、轉(zhuǎn)矩密度高、效率高、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩高和功率因數(shù)高的特點(diǎn)在電動(dòng)汽車領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。此處將設(shè)計(jì)一種適用于電動(dòng)汽車的PMSM控制器。

2 控制器硬件設(shè)計(jì)
   
驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器采用全數(shù)字化結(jié)構(gòu),功率部分包括:主電路;IGBT驅(qū)動(dòng)電路及開關(guān)電源電路。控制部分包括:DSP控制電路;電壓、電流、溫度、轉(zhuǎn)速的檢測電路、故障與保護(hù)電路;開關(guān)量輸入輸出電路;模擬量輸入輸出電路、485/CAN通信電路和操作器電路,其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。


2.1 控制器主電路設(shè)計(jì)
   
控制器設(shè)計(jì)之初,需確定控制器負(fù)載、供電電源和使用環(huán)境的要求:①負(fù)載參數(shù)要求:負(fù)載額定功率Pn、額定電壓un、額定電流in和過載倍數(shù)kg等;②電源參數(shù)要求:額定電壓及變化范圍;③其他要求:工作環(huán)境條件、結(jié)構(gòu)尺寸限制等。根據(jù)某電動(dòng)汽車的要求,此處研制的控制器性能指標(biāo)為:額定功率55 kW;額定轉(zhuǎn)速4 500 r·min-1;峰值功率82.5 kW;峰值功率運(yùn)行時(shí)間5 min;電動(dòng)方式轉(zhuǎn)速范圍0~9 000 r·min-1;發(fā)電方式轉(zhuǎn)速范圍800~9 000 r·min-1;基速峰值及額定功率時(shí)的效率89%~93%;工作電壓范圍405~583.2 V;扭矩控制精度為:額定扭矩以下:±5 N·m,額定扭矩以上:5%;扭矩控制響應(yīng)時(shí)間小于100 ms;速度控制響應(yīng)時(shí)間為在200 ms時(shí)進(jìn)入±50 r·min-1誤差之內(nèi);速度控制精度:負(fù)載從0~100%變化,速度變化小于±1%;扭矩和速度控制模式的轉(zhuǎn)換時(shí)間20 ms。
2.1.1 控制器容量選擇
   
由于電機(jī)控制器傳給驅(qū)動(dòng)電機(jī)的是脈動(dòng)電流,其脈動(dòng)值比工頻供電時(shí)電流要大,因此須將電機(jī)控制器的容量留有適當(dāng)?shù)脑A?。變頻器應(yīng)滿足:
   
    式中:Scn為電機(jī)控制器的額定容量;Pn,η,cosφ分別為電機(jī)輸出功率、效率、功率因數(shù),η=0.85,cosφ=0.8;K為電流波形的修正系數(shù),PWM方式取1.05~1.1。
2.1.2 IGBT電壓選擇
    IGWT電壓應(yīng)能承受母線峰值電壓,當(dāng)ICBT關(guān)斷時(shí)峰值電壓可表示為:
   
    式中:Udcmax為母線最高電壓;α為過電壓保護(hù)系數(shù),取α=1.15;β為安全系數(shù),一般取β=1.1;Ldi/dt為母線電感引起的尖峰電壓,這里取100 V。
    通過對式(2)進(jìn)行計(jì)算得到Ucesp=858.7 V,這樣應(yīng)選擇Uces=1 200V的元件。
2.1.3 IGBT電流規(guī)格選擇
    IGBT電流的選擇,需保證電機(jī)峰值電流在IGBT的安全工作區(qū)內(nèi)。IGBT的額定電流應(yīng)滿足:
   
    式中:S為電機(jī)控制器容量,此處S=114kVA;kg=1.5;kjw為考慮結(jié)溫的電流降額系數(shù),此處kjw=1.4;U0為驅(qū)動(dòng)電機(jī)線電壓,
    由式(3)可得,Ic應(yīng)大于508.94 A,根據(jù)IGBT的等級(jí)應(yīng)選擇Ic=600 A的元件。
2.2 IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
   
根據(jù)IGBT驅(qū)動(dòng)電路的性能要求,此處選用了HCPL316J光耦驅(qū)動(dòng)電路。HCPL316J是一種IGBT門極驅(qū)動(dòng)光電耦合器:其參數(shù)為:可驅(qū)動(dòng)IGBT最高為150 A/1 200 V級(jí);光學(xué)隔離,帶故障反饋輸出;16腳貼片封裝,CMOS/TTL兼容,500 ns開關(guān)速度;軟關(guān)斷技術(shù),集成過流、欠壓保護(hù)功能;15~30 V寬電壓工作環(huán)境。
    由HCPL316J構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。由于選用的Ic=600 A,HCPL316J不能夠直接驅(qū)動(dòng),故經(jīng)過推挽放大后驅(qū)動(dòng)IGBT。


2.3 信號(hào)檢測電路設(shè)計(jì)
   
信號(hào)檢測電路包括母線電壓、母線電流、驅(qū)動(dòng)電機(jī)三相電流、控制器溫度、電機(jī)溫度和電機(jī)轉(zhuǎn)子位置與轉(zhuǎn)速的采樣與調(diào)理電路。除轉(zhuǎn)子位置與速度采樣電路外,其他信號(hào)均為模擬量,需經(jīng)過隔離后,調(diào)理成ADC單元可以處理的信號(hào)。
2.3.1 相電流采樣電路
   
采樣電路由濾波調(diào)理電路和偏移限幅電路組成。從電流傳感器輸出的與實(shí)際電流成比例的信號(hào),經(jīng)一階低通濾波和比例運(yùn)算后,得到幅值為-1.65~1.65 V,再經(jīng)偏置電路轉(zhuǎn)換為0~3.3 V。
2.3.2 位置與速度檢測電路
   
選用旋轉(zhuǎn)變壓器作為轉(zhuǎn)子位置傳感器,旋轉(zhuǎn)變壓器適用于工作環(huán)境惡劣的場合,具有較強(qiáng)的抗干擾能力。旋變/數(shù)字轉(zhuǎn)換器采用AD2S12 05,能獲取轉(zhuǎn)子的絕對位置信息。采用5 V電源供電,外接8.912 MHz的晶振。根據(jù)所選旋轉(zhuǎn)變壓器的勵(lì)磁電壓電流要求,設(shè)計(jì)勵(lì)磁環(huán)節(jié)的運(yùn)算放大電路,保證接收的正余弦信號(hào)峰峰值為(3.6±36%)V。
2.3.3 故障與保護(hù)電路
   
W相過流保護(hù)電路將采集的電流信號(hào)與預(yù)先設(shè)定的極限值進(jìn)行比較,當(dāng)超過極限值時(shí),觸發(fā)故障鎖存電路。故障鎖存與清除電路中,各種故障信號(hào)相與后,經(jīng)過RS觸發(fā)器,觸發(fā)PDPINTA中斷,并封鎖PWM輸出。當(dāng)故障已被消除時(shí),通過DSP可將RS觸發(fā)器復(fù)位。該電路還能保證DSP復(fù)位過程中對PWM信號(hào)的封鎖。

3 控制單元軟件設(shè)計(jì)
   
電機(jī)控制器控制框圖如圖3所示。驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器采用旋轉(zhuǎn)變壓器直接獲取轉(zhuǎn)子位置和速度,采用霍爾電流傳感器直接檢測定子三相電流。控制器利用轉(zhuǎn)子位置信息將三相電流進(jìn)行坐標(biāo)變換,得到d,q軸電流反饋值。d,q軸電流參考信號(hào)與實(shí)際值比較后,其偏差值被輸入至調(diào)節(jié)器,調(diào)節(jié)器的輸出與解耦電路輸出相加,便得到磁場定向d,q軸系中兩軸電壓參考值udref和uqref,通過Park逆變換,轉(zhuǎn)換為α,β軸參考電壓uαrad,uβref,經(jīng)過SVPWM模塊產(chǎn)生控制逆變器各功率開關(guān)的開通和關(guān)斷信號(hào)。其中,主控芯片采用TMS320LF2407A,其很適合于電動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)控制。


    電機(jī)控制程序采用前后臺(tái)系統(tǒng)來完成。前臺(tái)系統(tǒng)為中斷級(jí)程序,包括T1定時(shí)器下溢中斷服務(wù)程序,實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制的核心算法和故障中斷,包括XINT1外部中斷服務(wù)程序和PDPINTA中斷服務(wù)程序,用于封鎖PWM輸出。T1定時(shí)器下溢中斷服務(wù)程序如圖4所示,故障中斷服務(wù)程序如圖5所示。


    后臺(tái)系統(tǒng)為任務(wù)級(jí)程序,流程圖如圖6所示。


    一個(gè)完整的驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器,不僅要實(shí)現(xiàn)電機(jī)的控制算法,還要具備運(yùn)行控制、參數(shù)設(shè)置和工作狀態(tài)監(jiān)視等功能。此處將這些功能在任務(wù)級(jí)程序中實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器可通過操作鍵盤、控制端子和通信程序設(shè)定控制命令、運(yùn)行頻率,修改相關(guān)功能碼參數(shù),監(jiān)控控制器工作狀態(tài)及故障信息。
    任務(wù)級(jí)程序是一個(gè)無限循環(huán)系統(tǒng),根據(jù)各種任務(wù)的實(shí)時(shí)性要求,將其劃分為4個(gè)等級(jí),如故障檢測函數(shù)和參數(shù)設(shè)置函數(shù)每1 ms執(zhí)行1次,而對于輸入輸出端子的處理函數(shù)則要每10ms執(zhí)行1次。

4 實(shí)驗(yàn)
   
為驗(yàn)證和調(diào)試驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器,進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。驅(qū)動(dòng)電機(jī)測試系統(tǒng)由AVL測功機(jī)、Digatron電池模擬器、功率分析儀、驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制器組成。測功機(jī)采用轉(zhuǎn)速控制方式,提供負(fù)載;功率分析儀采集直流母線電壓電流、電機(jī)輸入側(cè)的電壓電流、測功機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速信息,并實(shí)時(shí)傳送至上位機(jī)保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù);電池模擬器為驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制器提供電能;dSPACE通過CAN總線或者模擬量控制電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。


    驅(qū)動(dòng)電機(jī)在加速、平穩(wěn)運(yùn)行和制動(dòng)3個(gè)階段下的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩曲線和電壓、電流波形如圖7所示。由圖可知,系統(tǒng)電流控制特性良好。

5 結(jié)論
   
電動(dòng)汽車要求電機(jī)及其控制器具有轉(zhuǎn)速范圍寬、過載系數(shù)高的特點(diǎn),研制的利用DSP構(gòu)成的永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng),具有控制功能強(qiáng)、速度快、保護(hù)功能完善及工作性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。整個(gè)線路外圍元件少、走線簡單、逆變器體積小,可靠性高,能夠滿足電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求。

本站聲明: 本文章由作者或相關(guān)機(jī)構(gòu)授權(quán)發(fā)布,目的在于傳遞更多信息,并不代表本站贊同其觀點(diǎn),本站亦不保證或承諾內(nèi)容真實(shí)性等。需要轉(zhuǎn)載請聯(lián)系該專欄作者,如若文章內(nèi)容侵犯您的權(quán)益,請及時(shí)聯(lián)系本站刪除。
換一批
延伸閱讀

9月2日消息,不造車的華為或?qū)⒋呱龈蟮莫?dú)角獸公司,隨著阿維塔和賽力斯的入局,華為引望愈發(fā)顯得引人矚目。

關(guān)鍵字: 阿維塔 塞力斯 華為

加利福尼亞州圣克拉拉縣2024年8月30日 /美通社/ -- 數(shù)字化轉(zhuǎn)型技術(shù)解決方案公司Trianz今天宣布,該公司與Amazon Web Services (AWS)簽訂了...

關(guān)鍵字: AWS AN BSP 數(shù)字化

倫敦2024年8月29日 /美通社/ -- 英國汽車技術(shù)公司SODA.Auto推出其旗艦產(chǎn)品SODA V,這是全球首款涵蓋汽車工程師從創(chuàng)意到認(rèn)證的所有需求的工具,可用于創(chuàng)建軟件定義汽車。 SODA V工具的開發(fā)耗時(shí)1.5...

關(guān)鍵字: 汽車 人工智能 智能驅(qū)動(dòng) BSP

北京2024年8月28日 /美通社/ -- 越來越多用戶希望企業(yè)業(yè)務(wù)能7×24不間斷運(yùn)行,同時(shí)企業(yè)卻面臨越來越多業(yè)務(wù)中斷的風(fēng)險(xiǎn),如企業(yè)系統(tǒng)復(fù)雜性的增加,頻繁的功能更新和發(fā)布等。如何確保業(yè)務(wù)連續(xù)性,提升韌性,成...

關(guān)鍵字: 亞馬遜 解密 控制平面 BSP

8月30日消息,據(jù)媒體報(bào)道,騰訊和網(wǎng)易近期正在縮減他們對日本游戲市場的投資。

關(guān)鍵字: 騰訊 編碼器 CPU

8月28日消息,今天上午,2024中國國際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會(huì)開幕式在貴陽舉行,華為董事、質(zhì)量流程IT總裁陶景文發(fā)表了演講。

關(guān)鍵字: 華為 12nm EDA 半導(dǎo)體

8月28日消息,在2024中國國際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會(huì)上,華為常務(wù)董事、華為云CEO張平安發(fā)表演講稱,數(shù)字世界的話語權(quán)最終是由生態(tài)的繁榮決定的。

關(guān)鍵字: 華為 12nm 手機(jī) 衛(wèi)星通信

要點(diǎn): 有效應(yīng)對環(huán)境變化,經(jīng)營業(yè)績穩(wěn)中有升 落實(shí)提質(zhì)增效舉措,毛利潤率延續(xù)升勢 戰(zhàn)略布局成效顯著,戰(zhàn)新業(yè)務(wù)引領(lǐng)增長 以科技創(chuàng)新為引領(lǐng),提升企業(yè)核心競爭力 堅(jiān)持高質(zhì)量發(fā)展策略,塑強(qiáng)核心競爭優(yōu)勢...

關(guān)鍵字: 通信 BSP 電信運(yùn)營商 數(shù)字經(jīng)濟(jì)

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 8月21日,由中央廣播電視總臺(tái)與中國電影電視技術(shù)學(xué)會(huì)聯(lián)合牽頭組建的NVI技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟在BIRTV2024超高清全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展研討會(huì)上宣布正式成立。 活動(dòng)現(xiàn)場 NVI技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)...

關(guān)鍵字: VI 傳輸協(xié)議 音頻 BSP

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 在8月23日舉辦的2024年長三角生態(tài)綠色一體化發(fā)展示范區(qū)聯(lián)合招商會(huì)上,軟通動(dòng)力信息技術(shù)(集團(tuán))股份有限公司(以下簡稱"軟通動(dòng)力")與長三角投資(上海)有限...

關(guān)鍵字: BSP 信息技術(shù)
關(guān)閉
關(guān)閉